張艷鋒課題組發表大尺寸單層MoS2可控制備方面研究成果

2018年3月7日，北京大學工學院材料系張艷鋒課題組在期刊Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-018-03388-5)在線發表題為“Batch production of 6-inch uniform monolayer molybdenum disulfide catalyzed by sodium in glass”的研究論文，報道了他們在大尺寸均勻單層MoS₂材料的可控制備和生長機理研究方面的最新進展。

單層半導體性過渡族金屬硫屬化合物（MX₂: MoS₂, WS₂等）是繼石墨烯之后備受關注的二維層狀材料。該類材料具有優異的電學性質、強的光物相互作用、高效的催化特性等，在光電子學器件、傳感器件、電催化產氫等領域具有非常廣闊的應用前景。單層MX₂材料的批量制備和高品質轉移是關鍵的科學問題。現有方法仍面臨著諸多重大挑戰，例如，難以實現晶圓尺寸的層數均勻性、單晶疇區小、生長速度緩慢、生長襯底價格昂貴、轉移過程復雜、容易引入污染物等。

北京大學張艷鋒課題組是國內較早開展相關研究的課題組之一，在單層MX₂材料的可控制備、精密表征和電催化產氫應用方面取得了一系列重要進展：基于范德華外延的機理，他們在晶格匹配的云母基底上首次獲得了厘米尺度均勻的單層MoS₂【Nano Lett. 13, 3870 (2013)，他引198次】；在藍寶石上獲得了大疇區單層WS₂【ACS Nano 7, 8963 (2013), 他引250次】；發展了一種新型的金屬性箔材（Au箔）基底，實現了疇區尺寸可調單層MoS₂的制備，借助STM/STS表征技術建立起了材料原子尺度的形貌/缺陷態、電子結構和電催化析氫之間的構效關系【ACS Nano 8, 10196 (2014)，他引124次】。上述成果也受邀撰寫綜述文章【Chem. Soc. Rev. 44, 2587 (2015)，他引92次】。

最近他們在大尺寸均勻MoS₂的批量制備以及“綠色”轉移方面取得重要進展。他們選用廉價易得的普通玻璃作為基底，創新性地采用Mo箔作為金屬源(與S粉共同作為前驅體)，采用“face-to-face”的金屬前驅體供給方式，實現了前驅體在樣品上下游的均勻供應，使得樣品尺寸可以得到最大限度的放大（僅受限于爐體尺寸），獲得了對角線長度可達6英寸的均勻單層MoS₂；結合DFT理論計算和系統的實驗結果發現，玻璃基底上微量的Na對材料生長起到明顯的促進作用, Na傾向于吸附在MoS₂疇區的邊緣，起到顯著降低MoS₂拼接生長能壘的作用，從而促進其快速生長。獲取滿覆蓋單層樣品的生長時間僅為8min，單晶疇區邊緣尺寸可達0.5mm。此外，他們利用玻璃基底的親水特性，發展了一種無刻蝕的、僅利用超純水輔助的“綠色”轉移方法。該方法適用于晶圓尺寸樣品的快速轉移，且具有操作簡單、轉移樣品質量高等明顯優勢。該工作提出了利用廉價的普通玻璃基底來制備大面積、晶圓尺寸均勻、大疇區單層MoS₂的新方法/新途徑，并深入分析了其生長機制，為相關二維材料的批量制備和高效轉移提供了重要的實驗依據，對于推動該類材料的實際應用具有非常重要的意義。

6英寸普通玻璃上化學氣相沉積法制備的均勻單層MoS₂

文章通訊作者是北京大學工學院張艷鋒研究員，第一作者是二年級博士生楊鵬飛。該工作也得到了北京大學信息科學技術學院陳清教授、工學院張青研究員、物理學院高鵬研究員，以及化學與分子工程學院劉忠范院士的大力支持。理論部分的合作者是清華大學清華伯克利深圳學院鄒小龍教授。該研究得到了國家自然科學基金委和科技部國家重點研發計劃納米科技專項等項目的資助。